CN115076092B - 柱塞及压裂泵 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种柱塞及压裂泵，涉及油气装备领域。一种柱塞包括：柱塞本体和柱塞封堵；所述柱塞本体具有沿自身轴向设置的第一端和第二端，所述柱塞本体设有减重腔体，所述减重腔体沿所述柱塞本体的轴向延伸，并在所述第一端处贯通，所述第二端用于与高压液体接触；所述柱塞封堵具有抵接面，所述抵接面抵紧于所述第一端的端面，且所述柱塞封堵至少部分延伸至所述减重腔体内。一种压裂泵，包括上述柱塞。本申请至少解决当前柱塞泵的盘根容易受柱塞偏磨的问题。

Description

柱塞及压裂泵

技术领域

本申请属于油气装备技术领域，具体涉及一种柱塞及压裂泵。

背景技术

柱塞泵作为压裂施工的关键设备之一，其主要作用是在常压下，将具有一定粘度的压裂液转化为高压、大流量的压裂液并注入到地层，由此，柱塞泵的好坏直接影响油气田压裂施工作业的技术水平。当前，压裂用的柱塞泵多采用往复式卧式多缸柱塞泵，如三缸柱塞泵、五缸柱塞泵等。

为满足作业需要的排量和压力，需要使用更大直径、更大尺寸的柱塞，实现单台泵更高压力和更大排量的输出，以减少井场作业设备的数量，降低设备的成本。然而，柱塞直径变大、长度变长后，柱塞重量也会相应增大，使得在柱塞往复运动的过程中，在自重的作用下，柱塞容易向下倾斜，考虑到柱塞与密封件(如，盘根等)配合，通过盘根密封高压液体，如此，当柱塞向下倾斜时，容易导致盘根下部出现偏磨的情况，长此以往，导致盘根异常损坏，严重降低了盘根的使用寿命，增加了设备的维修成本，影响作业效率。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种柱塞及压裂泵，至少解决当前柱塞泵的盘根容易受柱塞偏磨的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

本申请实施例提供了一种柱塞，该柱塞包括：柱塞本体和柱塞封堵；

所述柱塞本体具有沿自身轴向设置的第一端和第二端，所述柱塞本体设有减重腔体，所述减重腔体沿所述柱塞本体的轴向延伸，并在所述第一端处贯通，所述第二端用于与高压液体接触；

所述柱塞封堵具有抵接面，所述抵接面抵紧于所述第一端的端面，且所述柱塞封堵至少部分延伸至所述减重腔体内。

本申请实施例还提供了一种压裂泵，该压裂泵包括：动力机构、液力机构和上述柱塞；

所述动力机构包括可往复移动的驱动杆，所述驱动杆与所述柱塞封堵连接；

所述液力机构包括阀箱，所述阀箱设有滑道，所述柱塞的背离所述柱塞封堵的一端设置于所述滑道中，且所述柱塞相对于所述滑道可移动。

在本申请实施例中，柱塞本体设有减重腔体，可以减轻柱塞本体的整体重量，从而可以在同等重量的情况下增大柱塞本体的直径，由此可以实现单台泵更高压力和更大排量的输出，以减少井场作业设备的数量，降低设备的成本，并且，使得柱塞本体在同等尺寸的情况下减轻重量，使得柱塞在移动过程中不易向下倾斜，从而不易导致盘根下部出现偏磨现象，延长了盘根的使用寿命，降低了设备的维修成本，保证了作业效率。

进一步地，柱塞封堵位于远离高压液体的一侧，如此，在柱塞移动过程中，高压液体不会对柱塞封堵与柱塞本体的连接区域造成损坏，从而保证了柱塞的良好性，且不会出现柱塞封堵与柱塞本体的连接处泄漏高压液体的情况发生；另外，通过柱塞封堵承受荷载，相比于柱塞本体的开孔端承受荷载，承受荷载的面积相对较大，无需担心因承受载荷的面积小而造成柱塞本体的开孔端出现压溃的情况。

附图说明

图1为本申请实施例公开的柱塞的剖面示意图；

图2为本申请实施例公开的柱塞封堵与柱塞本体的连接区域的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的压裂泵的结构示意图。

附图标记说明：

100-柱塞；

110-柱塞本体；111-第一端；112-第二端；113-减重腔体；1131-第一腔体段；1132-第二腔体段；1133-台阶面；1134-锥形腔段；114-螺纹盲孔；

120-柱塞封堵；121-封堵部；1211-抵接面；122-嵌入部；1221-第二环形槽；123-通道；124-卡接凸起；

130-焊缝；

140-第一环形槽；141-第一缺口；142-第二缺口；

150-耐磨涂层；

200-动力机构；210-驱动杆；220-连接头；

300-液力机构；310-阀箱；311-滑道；

400-密封件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例进行详细地说明。

参考图1至图3，本申请实施例公开了一种柱塞100，该柱塞100可以应用于柱塞泵，当然，还可以应用于其他装置，本申请实施例中对于柱塞100的使用场景、工况不作具体限定。

所公开的柱塞100包括柱塞本体110和柱塞封堵120，其中，柱塞本体110具有沿自身轴向设置的第一端111和第二端112。可选地，柱塞本体110可以为柱状体，如，圆柱体等。在实际应用过程中，柱塞本体110的第二端112用于与高压液体接触，而第一端111远离高压液体，通过柱塞本体110沿轴向往复移动，以为高压液体流动提供驱动力。

考虑到柱塞100在使用过程中横向移动，即，柱塞100的轴向并非呈竖直状态，由于大排量柱塞100的重量较大，柱塞100在重力作用下，容易对盘根的下部造成磨损，长此以往，导致盘根受到偏磨而提前报废，从而缩短了维修周期，增加了设备运行成本。

基于上述情况，本申请实施例中，柱塞本体110设有减重腔体113，该减重腔体113沿柱塞本体110的轴向延伸，并在柱塞本体110的第一端111处贯通。如此，通过设置减重腔体113，可以在保证大排量的情况下，减轻整个柱塞100的重量，从而不易对盘根造成偏磨现象，延长了盘根的使用寿命，进而延长了维修周期，降低了设备运行成本。

为安装柱塞封堵120与柱塞本体110，本申请实施例中，柱塞封堵120具有抵接面1211，该抵接面1211抵接于柱塞本体110的第一端111的端面，且柱塞封堵120至少部分延伸至减重腔体113内。基于此，可以保证柱塞封堵120与柱塞本体110之间安装的稳定性和牢固性，以防止柱塞100承受荷载时柱塞封堵120与柱塞本体110之前相对移动而造成柱塞100损坏。

在本申请实施例中，柱塞本体110设有减重腔体113，可以减轻柱塞本体110的整体重量，从而可以在同等重量的情况下增大柱塞本体110的尺寸，由此可以实现单台泵更高压力和更大排量的输出，以减少井场作业设备的数量，降低设备的成本，并且，使得柱塞本体110在同等尺寸的情况下减轻重量，使得柱塞100在移动过程中不易向下倾斜，从而不易导致盘根下部出现偏磨现象，延长了盘根的使用寿命，降低了设备的维修成本，保证了作业效率。

进一步地，柱塞封堵120位于远离高压液体的一侧，如此，在柱塞100移动过程中，高压液体不会对柱塞封堵120与柱塞本体110的连接区域造成损坏，从而保证了柱塞100的良好性，且不会出现柱塞封堵120与柱塞本体110的连接处泄漏高压液体的情况发生；另外，通过柱塞封堵120承受荷载，相比于柱塞本体110的开孔端承受荷载，承受荷载的面积相对较大，无需担心因承受载荷的面积小而造成柱塞本体110的开孔端出现压溃的情况。

为进一步提高柱塞封堵120与柱塞本体110之间的密封性，抵接面1211与第一端111的端面的抵接处焊接固定，且焊缝130位于柱塞本体110的外缘周面。基于此，可以实现对柱塞封堵120与柱塞本体110之间缝隙的密封，从而可以有效防止高压液体从缝隙中流出。因此，可以保证了柱塞封堵120与柱塞本体110之间连接的密封性，使得高压液体不会从柱塞封堵120与柱塞本体110之间的缝隙流出。

在一些实施例中，抵接面1211沿柱塞100的周向的边缘处设有第一缺口141，相应地，柱塞本体110的第一端111的端面沿柱塞100的周向的边缘处设有第二缺口142，如此，在柱塞封堵120装配置柱塞本体110的情况下，第一缺口141与第二缺口142对接，从而在柱塞100的外缘周面形成了第一环形槽140，而焊缝130则位于第一环形槽140内。基于此，通过在第一环形槽140内形成焊缝130，一方面可以增大焊缝130与抵接面1211及第一端111的端面各自的接触面积，从而可以提高焊缝130与抵接面1211及第一端111的端面各自之间的牢固性，以防止柱塞100承受荷载时在抵接面1211与第一端111的端面之间开裂；另一方面，焊缝130的厚度大于抵接面1211与第一端111的端面的接触部位，使得焊缝130可以对抵接面1211与第一端111的端面之间的接触部位进行隔档，从而可以有效防止高压液体进入或流出抵接面1211与第一端111的端面之间的缝隙，进而保证了柱塞封堵120与柱塞本体110之间装配的密封性。

可选地，第一缺口141和第二缺口142均可以具有环形弧面，此种情况下，在第一缺口141与第二缺口142对接时，两个环形弧形面对接，形成了横截面为弧形的第一环形槽140，如此，在第一环形槽140内形成的焊缝130的横截面同样为弧形，从而可以缓解焊缝130处出现应力集中的现象，进一步保证了焊接区域的牢固性。

为防止焊缝130影响柱塞100的往复移动，一些实施例中，柱塞封堵120的外缘周面、焊缝130的外缘周面及柱塞本体110的外缘周面齐平。此处需要说明的是，此处的齐平是指，通过焊缝130将第一环形槽140填充满，且焊缝130不会凸出第一环形槽140，也不会凹陷，以保证柱塞封堵120与柱塞本体110之间形成的第一环形槽140能够通过焊缝130实现完全填充，一方面可以提高柱塞封堵120与柱塞本体110之间装配的牢固性和稳定性，另一方面还可以有效防止焊缝130相对于柱塞本体110的外缘周面凸出或凹陷而影响柱塞100的往复移动。

在一些实施例中，柱塞封堵120可以包括封堵部121和嵌入部122，其中，嵌入部122穿设于减重腔体113内，封堵部121设置于减重腔体113的外部。在装配时，将嵌入部122穿入减重腔体113中，并使封堵部121抵接在柱塞本体110的第一端111处，如此，通过嵌入部122穿入减重腔体113可以有效防止柱塞100承受载荷时柱塞封堵120与柱塞本体110产生相对移动，从而可以保证柱塞封堵120与柱塞本体110之间装配的稳定性和牢固性。

进一步地，抵接面1211设置于封堵部121的邻近嵌入部122的一侧，且抵接面1211环绕嵌入部122设置。基于此，在装配时，嵌入部122穿入减重腔体113中，封堵部121位于减重腔体113外部，且抵接面1211直接抵紧在第一端111的端面，如此，在封堵部121承受挤压荷载时，可以通过抵接面1211与第一端111的端面之间相互作用而传递荷载，以通过封堵部121推挤柱塞本体110，使柱塞本体110推挤高压液体；在封堵部121承受牵引荷载时，可以通过焊缝130传递荷载，以通过封堵部121牵引柱塞本体110远离高压液体。因此，既保证了柱塞封堵120与柱塞本体110之间装配的稳定性和牢固性，又可以保证柱塞100的正常移动。

在一些实施例中，嵌入部122的外缘周面设有第二环形槽1221，且第二环形槽1221位于嵌入部122与封堵部121的衔接处。基于此，通过设置第二环形槽1221，可以有效避免嵌入部122与封堵部121的衔接处产生应力集中，从而提高了柱塞封堵120的整体强度，使其能够承受更大的荷载。

另外，柱塞本体110的减重腔体113的壁面与第一端111的端面形成的角结构可以位于第二环形槽1221内，如此，可以避免因为装配干涉而导致抵接面1211与第一端111的端面无法紧密贴合的现象发生，从而可以保证柱塞封堵120与柱塞本体110之间装配的良好性。

考虑到由于柱塞封堵120与柱塞本体110相互挤压，长此以往可能会导致减重腔体113的开口处出现压溃的情况，此时，通过设置第二环形槽1221还可以为压溃变形的部分提供容纳空间。

在一些实施例中，减重腔体113可以包括第一腔体段1131和第二腔体段1132，且第一腔体段1131与第二腔体段1132相互连通，第一腔体段1131的横截面积大于第二腔体段1132的横截面积，且第一腔体段1131与第二腔体段1132的衔接处形成台阶面1133，第一腔体段1131背离第二腔体段1132的一端设有开口，嵌入部122经由开口穿设于第一腔体段1131中。基于此，可以通过设置第一腔体段1131和第二腔体段1132实现对柱塞本体110的减重效果，以缓解对盘根的偏磨问题，通过第一腔体段1131与嵌入部122配合，可以保证柱塞封堵120与柱塞本体110的装配稳定性和牢固性，另外，第一腔体段1131的横截面积大于第二腔体段1132的横截面积，一方面可以保证嵌入部122能够顺利穿入减重腔体113中，另一方面还可以有效防止减重腔体113的横截面积过大而影响柱塞本体110的整体强度，使得柱塞本体110在减重的情况下还能够保证整体强度。

进一步地，嵌入部122的背离封堵部121的一端面与台阶面1133之间间隔预设距离，基于此，在嵌入部122完全穿入第一腔体段1131时，嵌入部122的背离封堵部121的一端面不会接触到台阶面1133，而接触面则能够与柱塞本体110的第一端111的端面贴合，从而可以保证柱塞封堵120与柱塞本体110装配的良好性，以避免嵌入部122的背离封堵部121的一端面与台阶面1133接触导致接触面与柱塞本体110的第一端111的端面无法贴合而影响柱塞封堵120与柱塞本体110装配的牢固性和密封性。

在一些实施例中，第二腔体段1132的背离第一腔体段1131的一端设有锥形腔段1134，此种情况下，使得减重腔体113的背离开口的底面与侧面之间的夹角大于90°，以缓解出现应力集中的问题，在一定程度上可以提高减重腔体113的背离开口的底面与侧面的强度。

在另一些实施例中，第二腔体段1132的背离第一腔体段1131的一端设有弧形过渡面(图中未示出)，此种情况下，减重腔体113的背离开口的底面与侧面之间通过弧形过渡面连接，从而可以缓解出现应力集中的问题，在一定程度上可以提高减重腔体113的背离开口的底面与侧面的强度。

考虑到柱塞100往复移动而与高压液体接触，以及与盘根摩擦，会导致柱塞100整体温度升高，为实现柱塞100内部与外部气压平衡，本申请实施例中，柱塞封堵120设有通道123，该通道123沿柱塞100的轴向贯通柱塞封堵120，且通道123与减重腔体113连通。基于此，在柱塞100温度升高后，减重腔体113内的压力增大，通过通道123可以平衡减重腔体113与外界的压差，从而可以防止减重腔体113内压力过大而影响柱塞100的使用寿命。

一些实施例中，柱塞本体110的第二端112设有螺纹盲孔114，该螺纹盲孔114可以用于连接带有外螺纹的拆装工具，以便于柱塞本体110的拆装。

为了降低柱塞100外表面的磨损，本申请实施例中，柱塞本体110的外缘周面设有耐磨涂层150，通过耐磨涂层150与盘根接触并摩擦，以避免柱塞本体110直接与盘根接触摩擦而导致柱塞本体110的外表面磨损，如此，可以延长柱塞100的使用寿命。

基于上述柱塞100，本申请实施例还公开了一种压裂泵，所公开的压裂泵包括动力机构200、液力机构300和上述柱塞100，其中，动力机构200包括可往复移动的驱动杆210，驱动杆210与柱塞封堵120连接，液力机构300包括阀箱310，阀箱310设有滑道311，柱塞100的背离柱塞封堵120的一端设置于滑道311中，且柱塞100相对于滑道311可移动。基于此，在动力机构200的驱动作用下，由驱动杆210对柱塞100施加驱动力，使柱塞100可以在阀箱310的滑道311中往复移动，以实现对液体的输送。可选地，压裂泵可以为柱塞泵。

可选地，动力机构200还可以包括箱体、曲轴和连杆，其中，曲轴可转动地设置于箱体内，连杆的一端与曲轴连接，连杆的另一端通过十字头与驱动杆210连接，驱动杆210与箱体滑动连接，如此，在曲轴旋转时，带动连杆移动，连杆带动驱动杆210往复移动，从而由驱动杆210带动柱塞100往复移动，以为液体的输送提供动力。

此处需要说明的是，动力机构200和液力机构300的具体结构及工作原理均可参考现有技术，此处不作详细阐述。

为了实现驱动杆210与柱塞100的连接，一些实施例中，柱塞封堵120还可以设有卡接凸起124，具体为，卡接凸起124可以为环形凸起，其环绕在封堵部121的外缘周面，相应地，驱动杆210的外壁同样可以设置卡接凸起124，如此，在柱塞100与驱动杆210对接时，将两者各自的卡接凸起124对接，而后采用连接头220将两者的卡接凸起124连接在一起，从而可以将驱动杆210和柱塞100牢牢固定在一起，以保证连接的牢固性。此处需要说明的是，连接头220可以包括多个组成单元，每个组成单元分别设有限位槽，在安装时，将每个组成单元扣装在两个卡接凸起124的外侧，并使多个组成单元相对固定，以保证连接的牢固性和稳定性。

另外，为保证阀箱310与柱塞100之间的密封性，滑道311与柱塞100之间还可以设有密封件400，具体可以是密封圈，其套设在柱塞100的外侧，并固定于滑道311中，通过密封件400可以对柱塞100与滑道311之间的空隙进行密封，以防止高压液体从柱塞100与滑道311之间的空隙中泄漏，因此，保证了阀箱310与柱塞100之间的密封性。

综上所述，本申请实施例中，可以减轻柱塞100的重量，提高柱塞100承力端的面积，防止柱塞100被压溃，柱塞封堵120与柱塞本体110之间通过焊缝130连接，保证连接的牢固性和稳定性，焊缝130位于柱塞100的外缘周面，以提高柱塞封堵120与柱塞本体110连接区域的密封性。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种柱塞，其特征在于，包括：柱塞本体(110)和柱塞封堵(120)；

所述柱塞本体(110)具有沿自身轴向设置的第一端(111)和第二端(112)，所述柱塞本体(110)设有减重腔体(113)，所述减重腔体(113)沿所述柱塞本体(110)的轴向延伸，并在所述第一端(111)处贯通，所述第二端(112)用于与高压液体接触；

所述柱塞封堵(120)具有抵接面(1211)，所述抵接面(1211)抵紧于所述第一端(111)的端面，且所述柱塞封堵(120)至少部分延伸至所述减重腔体(113)内，所述柱塞封堵(120)的位于所述减重腔体(113)外侧的区域设有卡接凸起(124)。

2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述抵接面(1211)与所述第一端(111)的端面的抵接处焊接固定，且焊缝(130)位于所述柱塞本体(110)的外缘周面。

3.根据权利要求2所述的柱塞，其特征在于，所述抵接面(1211)沿所述柱塞(100)的周向的边缘处设有第一缺口(141)，所述第一端(111)的端面沿所述柱塞(100)的周向的边缘处设有第二缺口(142)；

所述第一缺口(141)与所述第二缺口(142)对接形成第一环形槽(140)，所述焊缝(130)位于所述第一环形槽(140)内。

4.根据权利要求3所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞封堵(120)的外缘周面、所述焊缝(130)的外缘周面及所述柱塞本体(110)的外缘周面齐平。

5.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞封堵(120)包括封堵部(121)和嵌入部(122)，所述嵌入部(122)穿设于所述减重腔体(113)内，所述封堵部(121)设置于所述减重腔体(113)的外部；

所述抵接面(1211)位于所述封堵部(121)的邻近所述嵌入部(122)的一侧，且所述抵接面(1211)环绕所述嵌入部(122)设置。

6.根据权利要求5所述的柱塞，其特征在于，所述嵌入部(122)的外缘周面设有第二环形槽(1221)，且所述第二环形槽(1221)位于所述嵌入部(122)与所述封堵部(121)的衔接处。

7.根据权利要求5所述的柱塞，其特征在于，所述减重腔体(113)包括相连通的第一腔体段(1131)和第二腔体段(1132)；

所述第一腔体段(1131)的横截面积大于所述第二腔体段(1132)的横截面积，所述第一腔体段(1131)与所述第二腔体段(1132)的衔接处形成台阶面(1133)；

所述第一腔体段(1131)背离所述第二腔体段(1132)的一端设有开口，所述嵌入部(122)经由所述开口穿设于所述第一腔体段(1131)中，且所述嵌入部(122)的背离所述封堵部(121)的一端面与所述台阶面(1133)之间间隔预设距离。

8.根据权利要求7所述的柱塞，其特征在于，所述第二腔体段(1132)的背离所述第一腔体段(1131)的一端设有锥形腔段(1134)；

或者，所述第二腔体段(1132)的背离所述第一腔体段(1131)的一端设有弧形过渡面。

9.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述柱塞封堵(120)设有通道(123)，所述通道(123)沿所述柱塞(100)的轴向贯通所述柱塞封堵(120)，且所述通道(123)与所述减重腔体(113)连通；

和/或，所述柱塞本体(110)的第二端(112)设有螺纹盲孔(114)；

和/或，所述柱塞本体(110)的外缘周面设有耐磨涂层(150)。

10.一种压裂泵，其特征在于，包括：动力机构(200)、液力机构(300)和权利要求1至9中任意一项所述的柱塞(100)；

所述动力机构(200)包括可往复移动的驱动杆(210)，所述驱动杆(210)与所述柱塞封堵(120)连接；

所述液力机构(300)包括阀箱(310)，所述阀箱(310)设有滑道(311)，所述柱塞(100)的背离所述柱塞封堵(120)的一端设置于所述滑道(311)中，且所述柱塞(100)相对于所述滑道(311)可移动。

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